1、北美用于铸件、锻件、结构和建筑领域用钢的最新进展 Geoffrey Tither 摘要 本论文 展示 北美在 铸造 、锻造 、结 构及建 筑领 域铌微 合金 化钢的 一些 近来的 发展 。 含铌微合金化钢由于提高了钢的性能， 不仅在已被证实的应用领域的用途不断增加， 而且， 正在新的或未被证实的应用领域中得到应用。 关键词：铌，微合金化钢，应用 Some Recent developments in North America in Steels for Castings, Forgings, Structural and Constructional Applications Geoffre
2、y Tither Abstract The present paper presents some recent developments in the castings, forgings, structural and constructional areas in North America. Microalloyed, Niobium-containing steels are not only finding increasing usage within a proven application by enhancing steel properties, but are also
3、 establishing themselves in new or less-proven applications. Key words: Niobium, Microalloyed stees, application 1 引言 微合金化钢消耗了接近 80%的世界铌 产量，微合金化钢的产量占世界钢产量的近 10%（每年 6500-7500 万吨） 。 除了大 批量 的汽车 及管 线钢， 微合 金化含 铌钢 在铸件 、汽 车锻件 、紧 固件及 结构 件 等较小重量的领域的应用不断增加。 高强度钢 （屈服强度 700Mpa） 在 建 筑领域的的应用也在增加。 所有在这些领域中发展起来的钢其韧
4、性和焊接性得到改善，并具有较高的强度。 当铸造 和锻 造工业 尚不 成熟， 尚需 集中努 力以 贯彻这 种新 技术时 ，在 北美近 来铌 钢 技术在结构钢中已被采用，以得到细晶粒、高强度的产品，满足 ASTM572、 Grade50 标准。 2 微合金化钢设计 含少量 铌、 钒、钛 和铝 添加物 的微 合金化 钢， 无论是 分别 添加还 是同 时添加 ，是 典 型的中低碳钢。 在大部分的商用微合金化钢中， 其物理冶金性能， 和改善了的机械性能的研究，在其他很多文章中进行了讨论，主要集中在以下几点： （ 1） 晶粒细化以改善强度与韧性。 （ 2） 相对低的碳含量（ 0.003%-0.15%）以改
5、善韧性和焊接性能。 1（ 3） 通过正火处理、最终轧制后的冷却过程、淬火或正火后的时效处理后的沉淀强化。 （ 4） 由针状铁素体向贝氏体、马氏体转变的低温转变产物导致的亚结构强化。 （ 5） 固溶强化。 在低中 碳钢 中添加 铌的 主要优 势源 于铌的 碳化 物形成 ，这 些析出 物在 再加热 过程 中 完全或部分溶解、固溶度取决于温度、保温时间、加热和冷却速率及产物 Nb（ C， N）类型。因而 Nb（ C， N）析出的动力学控制了最终效果。 3 铌在铸钢中 微合金化钢中约占 98%压倒多数的产品为锻造产品。将微合金化钢推广到铸造工业的工作开始于 40 多年前，但进展极其缓慢。 锻造产 品利
6、 用在锻 压过 程中碳 化铌 析出对 阻碍 晶粒回 复及 再结晶 过程 的强有 力作 用 ，得到较好的机械性能。 铸钢则不同， 它必须依靠奥氏体晶粒细化， 控制奥氏体向铁素体转变温度，以及在铁素体中沉淀强化才能获得满意的机械性能。 低合金高强度铸钢中，铌对显微结构及其机械性能的影响如图 1 所示 。它表明在铸造与再加热过程中， Nb（ C， N） 分子沉淀所产生的晶粒细化、 相变控制及沉淀强化作用的交互影响。 图 1 各种加工过程中， Ni 对低合金高强度铸钢显微结构的影响 在铸件的冷却过程中， 由于缺少外部塑性变形， Nb（ C， N） 沉淀很难发生。 但是在奥氏体向铁素体转变过程中， 及在
7、铁素体相中可产生一些细小的 Nb（ C， N） 析出。 析出的程度依赖于铸造过程中的冷却速率。 如果在铸造后先进行均匀化处理，再在 1100或 1100进 行正火，导致 Nb（ C， N）粒子的部分固溶。 那些未固溶的粒子有效地钉扎在奥氏体晶界， 限制晶粒长大， 从而使晶粒充分细化 。 再加热温 度 较低（ 900-1000）的 情 况下，这 种 效果更加 显 著 ， Nb（ C， N）粒子稳定得多，奥氏体晶粒长大的驱动力减小。 2高温下， 铌防止晶粒粗大的作用比钒和铝大得多， 如图 2。 对正火钢， 这种效应可以解释为铌的添加起到了晶粒细化剂的作用。得到类似的细化作用，需要添加 0.10%V
8、，同时还要加入大约 0.020%的较 高含量的氮。在铸钢中，钛形成粗大的氮化物粒子，对晶粒细化相对不起作用。 图 2 各种微合金化钢的奥氏体晶粒粗化特性 从正火 温度 冷却的 过程 中，铌 引起 的两种 主要 效应， 取决 于冷却 前固 溶体中 剩余 的 铌含量， 以及随后的冷却速率。 首先， 固溶的铌具有显著的淬透效果， 这种效果可能由于所使用的正火温度减低而减弱， 而且被晶粒细化作用抵消了一部分。 铌还可以降低奥氏体向铁素体的转变温度。 事实上 ，所 有微合 金化 元素中 ，在 固溶态 时， 对于一 定的 晶粒尺 寸， 铌具有 最强 的 降低奥氏体向铁素体转变温度的作用。 对空冷铸件，铌的
9、固溶作用可以与 Mo 的作用结 合，形成针状铁素体或贝氏体。对于大型铸件， Mo 的加入可以确保获得所需的机械性能。 由再加热温度冷却时， 在奥氏体向铁素体的转变过程中及随后的铁素体相中将析出 Nb（ C， N） 。这些细小弥散的析出使屈服强度增加。 以固溶态残留在铁素体中的铌在随后的回火 （时效） 过程中以细小弥散的 Nb（ C， N）粒子析出，从而导致屈服强度的增加。在淬火后的时效过程中强化效应更加显著。 另外， 钼延缓 Nb（ C， N） 在奥氏体中的析出， 使更多的铌以固溶态保留在奥氏体中，增加 Nb（ C， N） 在铁素 体中的析出， 使强化效应更为显著。 而且， 已经证明， 钼自身
10、的析出会通过增强内聚应力和增大析出的体积分数而使 Nb（ C， N） 的强化效应增强。 最终结果是，铌钢中钼的添加可有效的提高屈服强度而不损失韧性。 3.1 微合金化铸钢的发展 3过去二 十年 微合金 化铸 钢的许 多应 用已经 有很 多报道 。包 括用于 机架 、牵引 铲头 、 连接件、节点、其它海上零件和铁路耦合件等的 Mn-Mo-Nb 钢。有两种现成的应用实例，一是重量为 665kg 的用于核 反应堆支撑架的连接件， 另一个是每个 120kg 的 用于建筑机械的焊接件（ Nb+V 钢） 。 类似的铸钢 （ 0.10%C， 0.4%Mo， 0.04%Nb， 0.06%V）已经被用 于铁轨连
11、接 件上，以满足屈服强度和拉伸强度最低分别达到 415Mpa（ 60ksi）和 620Mpa（ 90ksi） 。 这种细晶 粒的多边形铁素体钢最低韧性要求为， 在 -40时， 夏 氏 V 型缺口试样冲击动能 （ CVN） 34 焦耳。这些连接件在使用条件下会受到高冲击和其他动态应力，并必须在现场焊接维护。 在高温 下使 用的微 合金 化铸钢 依赖 于它们 的延 展性能 、蠕 变性能 及抗 热冲击 和抗 氧 化性能。两种 Mo-Nb-V 铸钢的实验结果如表 1 所示。 表 1 微合金化铸钢的高温屈服强度（ MPa） 化学成分（ wt%） 温度（） C Mn Mo V Nb 20 100 200
12、300 350 400 500 6000.05 1.03 0.30 0.09 0.09 450 440 440 - 330 320 320 - 0.02 1.82 0.36 - 0.057 460 - - 440 - 400 370 290美国以低 C-Mo-Nb 钢替代通常的高碳锰钢用于铸造渣罐产品。 渣罐通常的热处理包括固溶退火及强制空冷至室温。 对成品铸件， 依据工件厚度不同，这种热处理可以使铸态铁素体晶粒尺寸达到 ASTM No. 4-7。 含铌钢 的主 要优点 是提 高抗蠕 变应 力的能 力， 从而减 轻变 形和断 裂。 其高温 屈服 强 度大约高于传统的高 C-Mn 钢 3 倍。
13、Mo-Nb 钢的屈服强度在 875保温 1 小 时后仅下降至 42Mpa， 而 C-Mn钢则降 至 12Mpa。微合金化 钢 的低碳水 平 明显的降 低 珠光体含 量 ，从而改 善 韧性和焊 接 性 。 Mo-Nb 钢的室 温冲击韧性约是 C-Mn 钢的两倍。微合金化钢的冲击韧性已达到 260J。 依靠提高热强度，所有的凝固问题及其它铸造的成本节约问题，在 WHEMCO 都解决了。 4 锻件中的铌和冷镦钢 微合金化锻钢的发展大大降低了这一过程的成本。 4.1 低碳多相钢 多相钢源于在低碳钢中加入 Mn、 Mo、 Nb 元素合金化。 北美主要发展了两种主要钢号：BHS-1 和 Freeform。
14、它们的基本化学成分标准在表 2 列出。 表 2 两种低碳微合金化多相钢的化学成分 钢号 C Mn Mo Nb Ti B BHS-1 0.10 1.6/2.0 0.40/0.50 0.05 FreeformTM0.10/0.15 1.4/1.65 0.12(max) 0.05/0.12 0.035(max) 0.001/0.0044加入 Nb 用以在控制 加 热过程中 的 奥氏体调 整 和冷却过 程 中控制转 变 特性。 Mn（ 1.4%-2.0%）和 Mo（ 0.10%-0.50%）的加入也是为了控制转变。 BHS-1 钢商业性试验包 括制造连杆 、转向悬臂 和低控制臂 。后面一种 零件热锻后
15、直 接进行淬火而随后不经任何其它热处理。用普通钢和 Mn-Mo-Nb 成分的 BHS-1 制造的后两种零件的机械性能在表 3 中给出。 表 3 用 Mn-Mo-Nb（ BHS-1）钢制造的商业化产品零件的机械性能 a). 转向悬臂 钢号 屈服强度 (MPa) 抗拉强度上限 (MPa)RA(%) 室温夏氏 V 型缺口冲击功 (J)千周次失效平均值 BC1038(QT) 607 697 59 86 134.79=36.5 BHS-1 828 1049 43 96 261.85=46.9b). 低控制臂 夏氏 V 型缺口冲击功 (J) 千周次失效平均值 钢号 /工艺 屈服强度 (MPa) 抗拉强度上
16、限 (MPa)RA(%)25 -40 光 滑 缺 口 1541 820 930 60 60 22 105.7 58.6BHS-1(DWQ) 935 1197 63 50 22 71000 7500 多相钢 在保 持一定 的韧 性下具 有较 高的强 度水 平，同 时还 具有非 常好 的疲劳 性能 、 高的产品质量，多相钢产品的制造不需要高成本的再加热、淬火和回火处理。 具有铁素体 -贝氏体 -马氏体类型显微结构 Mn-Mo-Nb 钢的应力 -应变特性适宜进行冷拉和冷镦操作。 不断的 加工 硬化加 上高 的加工 硬化 率保证 了只 要很小 的变 形就可 使强 度增加 很多 。 而且，原料的高塑性消
17、除了冷加工过程的断裂，也使型腔得到完全填充。 含较高 Mn、 Mo 的钢（ BHS-1）迅速表现出较大的加工硬化率。即使是低组分合金的Freeform 钢，都可以满足 5 级和 8 级螺栓标准。 除了强韧性， Mn-Mo-Nb钢制造的紧固件的疲劳性能也要优于那些普通的淬回火 C-Mn（ +Mo）钢 ， AISI 1038 或 AISI 4037 钢 。 低组分合金 Mn-Mo-Nb（ TiB） freeform 钢的疲劳极限大约比淬、回火的 AISI 1038 钢高 20%。 目前高强度、 冷拉拔用途 （螺栓、 螺母、 拉杆、 双头螺栓和其它紧固件） 的普通钢 （ AISI 1038 ， 10
18、45） 为典型的中碳钢， 有时含有合金化元素如 Cr 和 Mo（ AISI 4037， 4135， 4140，5140） 。要成功地冷 加工 这些钢 ，线 材必须 进行 球化退 火以 便容易 进行 拉丝和 冷镦 作业，并且随后要再加热， 淬回火， 以获得理想的机械性能。 普通钢和微合金化钢的加工过程的比较如图 2 所示。 到目前为止，冷镦和拉丝用微合金多相钢的的主要优点是节省热处理的成本和时间。 4.2 直接淬火锻件 在 90 年代， 微合金化锻 件（除了多相钢以外）的直接淬火已在北美商业化。设计的Microtuff 钢 是一种 0.1-0.2%C 和 0.1%Nb 左右的钢。 在锻造， 平整
19、过程和可能延迟进入淬火5槽期间， 未溶 Nb（ C， N） 粒子的细小沉淀阻碍再结晶， 并防止奥氏体晶粒长大。 在锻造温度到 1290 时晶粒尺寸保持细小。 Nb 的溶解作为 一个有效的硬化因素， 据报道可提高强度20%。 直接淬 火产 生可自 回火 的马氏 体显 微组织 。细 小晶粒 的马 氏体组 织的 锻件具 有超 乎 寻常的高的屈服强度。同时具有低于零度的冲击转变温度。 表 4 示出 Microtuff 钢的化学成分和机械性能，一些零件的使用如表 5 所示。 表 4 Microtuff 钢的化学成分和机械性能 C Mn P S Si Cu Ni Cr Mo Nb N 10/0.15 or
20、 0.15/0.20 1.65/2.00 0.03* 0.03* 0.50 /0.700.35* 0.20* 0.25 15/ 0.20 09/ 0.12 012/ 0.020*代表最大值 屈服强度 (MPa) 抗拉强度 (MPa) RA% El % HRC 夏氏 V 型缺口冲击功 (J) 945/1225 1190/1540 25(min.) 8(min.) 38/45 40(min.) 表 5 Microtuff 钢的应用 手工工具 电镀工具， 切割工具， 扳手 五金构件 钩子， 栓系连接件， 驳船接头 工业 挖掘齿， 输送机链带， 钢轨锚栓 农业 耕作工具， 平地机刮片， 肥料刮板 5
21、结构型钢中的铌 铌钢在结构钢中的使用的冶金学问题在“ Niobium 81”会议上详细陈述了。在过去，结构钢材 一 直是采用 除 了正火以 外 的方法生 产 的。现在 实 践中采用 的 办法是轧 制 后 强 制 冷却，在奥氏体向铁素体转变温度 50 的温度范围内对结构钢控制轧制。 在欧洲 开发 的加工 方法 是使用 较低 的碳含 量， 以便改 善韧 性和焊 接性 能。根 据需 要 的强度和型材厚度， 通过加入 （ 0.01-0.05%） Nb 或（ 0.04%） Nb 及（ 0.06%-0.10%） V 来补 偿由于碳含量降低导致的强度降低。 最近，在美国的主要进展是含铌结构钢型材 /梁材的商
22、业化应用，只需采用一种化 学 成分就能满足若干钢材成份的要求。这种“多规格”钢是由 Chaparral 钢 铁公司开发出来的，它通常仅含有 0.01-0.02%的铌，仅这点铌足以把 ASTM A36 的屈服强度提高到 345MPA 以上，同时使钢的抗拉强度不高于 550MPA，从而同时满足 ASTM A36 和 ASTM572-50 的要求。 6要满足 GRADE50要求的 最低屈服强度， 还需要添 加 0.03-0.04%以上的钒 （相 当于 0.02%铌） 提高结构钢的抗拉强度接近甚至超过 550Mpa， 这样满 足了 ASTM 572-50， 但 可 能会超出 A36 的要求。铌是解决这
23、一问题的微合金元素。 现在北美每年生产 400 万吨左右的含铌多规格结构钢。 开发和 应用 高强度 结构 钢的动 力是 源于减 轻重 量，扩 大使 用范围 ，从 而大幅 度降 低 成本的愿望。 表 6 所示为高强度微合金化钢 (最低屈服强度 355MPa 和 460MPa 用于替代通常使用的240Mpa 屈服 强度钢材的案例研究。 除重量减轻 16-38%， 使 用 范围也大幅度增加， 二者对使用高强度铌钢的经济效益的改善起了很大的作用。 表 6 案例分析 钢号 级别 基本断面 球形断面 减重 节省空间 a 355 HEA180 52 16% 19%460 HEA160 52 28% 36%
24、b 355 HEA200 52 26% 31%460 HEA180 52 38% 44% （ 1）至于屈服强度为 240MPa 的钢，对（ a）是 HEA200 断面， （ b）是 HEA240 断面（ 2）节省空间参考球形柱状端面 51和 52与 52的比较 6 一些最新建筑用钢中的铌 最广泛使用的建筑用钢必须满足最小屈服强度 355MPa 的需 求。但是，屈服强度达到和超过 690MPa 的高强度钢的使用迅速增加。 大多数 公司 将低强 度钢 用于起 重机 悬臂、 铲斗 、底盘 和一 般结构 件或 底板等 。对 一 般的建筑用途，典型的钢中含有 0.04%Nb-0.06%V，以正火态或轧制
25、态供货。 但是， 热轧、 卷取、 淬回火高强度钢 （最小屈服强度达到 690MPa） 在 汽 车吊车、 越野车和矿山等的使用正在增加。 为达到这些高强度水平， 除了传统的 Nb+V 钢， 钢的化学成分现在还包括 Ni+Ti、 Mo+Nb+Ti、 Cr+Mo+Nb+Ti 等。 对于大量使用微合金化高强度钢的高速汽车吊车， 使用 690MPa Y. S. 钢 比使用 355MPa Y. S .钢，可节约重量约 30%。 在北美， 强度水平届于以上二者之间其他钢有 Beth Star 80， 为控轧板材， 最小屈服强度 550MPa。 Beth Star 80 是一种含 0.10%V 和 0.06%
26、Nb 的低碳 钢， 含碳量仅 0.40%，具 有 良好的焊接性。 最近发展起来的 XF 系列， 结合可加工性和焊接性， 有几种不同规格， 最小屈服强度为343-593MPa。表 7 列出 了根据 Nb 或 Nb+V 的 含量排列的 XF 系列钢号的化学成分。 这些钢具有强度、加工性和焊接性的高效结合。机械性能列于表 8。 表 7 Bethlehem 公司生产 XF 系列钢的标准化学成分（重量百分比） 7钢种 C Mn P S Si Nb V Al B50XF 0.06 0.65 0.015 0.005 0.22 0.025 - 0.050 B60XF 0.07 0.75 0.015 0.005
27、 0.15 0.050 - 0.050 B70XF 0.08 1.20 0.015 0.005 0.25 0.045 0.045 0.050 B80XF 0.08 1.30 0.015 0.005 0.25 0.045 0.080 0.050 表 8 BethXF 系列钢的机械性能 钢种 屈服强度 0.2ksi (MPa) 抗拉强度bksi (MPa) 总延伸率 2in 均匀延伸率 2in 硬度 HB 最小弯曲半径 t B50XF Mininum Typical 50.0 (343) 57.0 393 60.0 (414) 69.0 (478) 24% 28% - 15% - 80 1/2 0
28、 B60XF Mininum Typical 60.0 (414) 66.0 (455) 70.0 (483) 79.0 (545) 22% 25% - 14% - 85 1/2 0 B70XF Mininum Typical 70.0 (483) 77.0 (531) 80.0 (545) 89.0 (614) 20% 23% - 13% - 90 3/4 1/4 B80XF Mininum Typical 80.0 (552) 88.0 (593) 90.0 (821) 97.0 (889) 18% 21% - 12.5% - 94 3/4 1/4 高强度、微合金化结构钢在美国也得到开发以
29、满足最小屈服强度 690Mpa 的需求 。典型的例子是 LTV Steel 开 发的热轧钢（ LTV 100XF） 。它通过晶粒细化、析出强化及亚结构硬化改善强度。低硫含量及硫化物形态的控制以及控制轧制确保获得好的韧性和加工性能。100XF 钢已经被用于农业机械、铁路车辆和垃圾处理车。 对于某些 建筑用钢 ，还必须 具有耐磨 性。最近 开发的淬 火加低温 回火的C-Mn-Cu-Ni-Nb-Ti 钢已经 被成功地用于象翻斗卡车底板内衬等实际应用中。 与 550HB 硬度的普通钢相比较，这种新型合金（牌号 MAXIMA）表现出优异的韧性。这种钢淬回火后，呈现由高密度位错的板条状马氏体 (大于 90
30、%体 积分数 )和薄的、 交错板条状残留奥氏体为第二相的显微结构。 塑性的残余奥氏体增强裂纹扩展抗力， 从而提高断裂韧性。 Nb 和 Ti 的存在保证了热机械处理过程和热处理过程中的晶粒细化化， 同 时铜的添加有益于残余奥氏体薄膜的力学稳定性。 USS-Gary 和 Oregon 钢厂 生产的这种钢板材，分别在 950C 和 925C 奥 氏体化后，经轧制、在辊底式炉内淬火并在 200 C 回火后，其硬度、屈服强度、拉伸强度和塑性均在抗磨损板材的范围内。 MAXIMA 板材的韧性（ CVN）明显较高，约比普通钢的正常水平高出约 50%。 CVN 冲击转变曲线如图 17 所示。室温 下， 25m
31、m 厚 度的板材的纵向冲击功超过 55J，819mm 厚的，则接近 75J。 -40时， CVN 冲击功的值在 35-45J 范围内。 比大多数普通耐磨板材产品的标准值明显提高。 运输矿石和岩石的卡车衬板的应用中得出的最初结果表明，新型的 Cr-Cu-Ti 钢的磨 损率减低了 13.9%，这带来了明显的经济效益并预示其未来良好的发展前景。 总结 铌微合 金化 钢除了 早已 确定的 产品 及锻造 板材 和带材 的主 要用途 外， 现在又 在新 发 展起来的领域中得到应用，如铸件，汽车和小锻件，结构和建筑用钢。微合金化钢中高强度、高韧性和良好焊接性能的结合使其得以替代笨重的非合金化钢和低合金钢。
32、而且， 与普 通钢相 比， 微合金 化钢 改善高 温性 能及铌 的提 高高温 蠕变 抗力的 效应 ， 导致这些钢近来被用于铸造渣罐及其他应用。 微合金化钢， 特别是 Mo-Nb 钢， 由于消除了再加热， 淬回火， 锻件矫直处理及冷墩产品所需的球化退火等过程， 带来了可观的工艺过程的成本节约， 为锻造和冷墩工业提供了新的空间。 Mn-Mo-Nb 锻钢直接淬 火提供了优 异的高屈服 强度及韧性 的结合，使 这些钢在工 具 及机械工业的应用增多。 减 少工艺过程带来的成本节约使这些直接淬火钢成为许多应用领域的主要竞争者。 在结构 钢槽 钢及型 钢中 加入少 量的 铌已经 导致 结构的 发展 ，因而
33、只需 采用一 种化 学 成分的钢以满足几种钢材成分的要求。 这可以降低加工成本同时除去熔炼几种钢的必要， 简化建筑设计，并且当使用较高强度钢时，显著减轻重量和增加可用空间。 节省重量和 提高零件性 能的要求正 在导致屈服 强度为 550Mpa， 690Mpa甚至更 高的 高强度结构钢的开发， 现在化学成分范围从常用的 Nb到 Nb-V结合再到 Mo-Nb-Ti（ +B） 组合的钢已投放市场并在很多应用中得到采纳。 更近的开发是 Mn-Cr-Nb-Ti， MAXIMATM钢， 经最 初的商业试用， 表明其磨损率比普通的耐磨板材低几乎 14%；这又带来明显的成本降低。 含铌微 合金 化钢由 于提 高了钢 的性 能，不 仅在 已被证 实的 应用领 域的 用途不 断增 加 ，而且，正在新的或未被证实的应用领域中得到应用。 参考文献（略） 9
